碳纳米管光学可视化及可控操纵取得新进展

碳纳米管示意图,来源:http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_nanotube

         碳纳米管作为材料领域的研究热点,加上其优异的电学、力学、热学、光学、磁学等方面的性质,从其被发现以来就一直吸引着众多研究者的兴趣。由于碳纳米管的管径只有数纳米,而其长度可以达到数厘米,这种跨越7个数量级的尺度变化为其研究带来了很多的限制。例如,在单根碳纳米管的力学性质研究中,关键的一个步骤是获取单根的碳纳米管并能够对其进行可控操纵。然而,在电子显微镜中虽然可以观察到单根的碳纳米管,但是由于空间有限,在大多数电子显微镜中都难以实现对单根碳纳米管的操纵。相比之下,光学显微镜有着足够的操纵空间及操纵自由度,如果能够在光学显微镜下观察到单根碳纳米管,将对其可控操纵和许多方面的表征带来极大的便利。

         要想实现单根碳纳米管的光学可视化,就需要通过其他物质进行辅助。在以往的研究中,已有研究者通过在碳纳米管上负载荧光物质、金属颗粒等方法实现碳纳米管的有效观察和表征。然而,这些方法存在着步骤繁琐、效果较差且负载物质难以去除等弊端。因此,需要开发出一种新的碳纳米管光学可视化方法。

         经过不断尝试,我们发现二氧化钛颗粒是一种非常有效的实现碳纳米管光学可视化的物质。我们首先制备了一种带有微槽的硅片基底,然后利用化学气相沉积法在这些沟槽上原位生长碳纳米管水平阵列,这些单根的碳纳米管在沟槽上面就呈现出悬空的状态。然后使这些悬空的碳纳米管与四氯化钛或四氯化锡烟雾接触,通过控制四氯化钛或四氯化锡在空气(含微量水蒸汽)中的水解,就在碳纳米管表面沉积上直径为数十至数百纳米的二氧化钛或二氧化锡颗粒。这些颗粒对可见光有很强的散射能力(遵循米氏散射),使单根碳纳米管在光学显微镜下能够被清晰地观察并准确定位,并可进行后续操纵控制。该沉积方法不需要复杂设备,只需要几秒钟就可完成,简单高效,大大提高了碳纳米管的结构表征、性能测量以及器件构建效率。

         在实现单根碳纳米管光学可视化的基础上我们利用光学探针台、微纳米机械手等工具,借助纳米颗粒的标记作用,实现了光学显微镜下单根碳纳米管的任意拉伸、切断、转移、构建复杂结构等操作。比如,可以将上述方法切割下来的单根碳纳米管从原始生长基底上转移到任意一种目标基底上,这对于碳纳米管的电学性质、Raman光谱、高分辨透射电镜观察等方面的表征带来了极大的便利之处。此外,还可以对单根碳纳米管的拉伸形变、扭曲和旋转等力学行为进行方便的研究。不仅如此,上述可视化方法也为单根碳纳米管在扫描电镜中的观测提供了很好的标记手段。

         该工作得到了科技部重大研究计划的支持,相关的研究成果相继发表在今年的Nature Communications (2013, 4, 1727), Nanoscale (2013, DOI:  10.1039 /C3NR01877F) 杂志上。

About 张 如范

目前从事的研究方向是超长碳纳米管的制备与性质研究,已经发表的研究成果包括:一,制备出了世界最长的碳纳米管(单根长度达到半米长);二,制备出了结构完美、力学性质最为优异的碳纳米管;三,实现了单根碳纳米管的光学可视化及可控操纵。